1、金属材料显微结构金属材料显微结构与物理性能与物理性能物理性能部分物理性能部分桂林理工大学桂林理工大学 材料科学与工程学院材料科学与工程学院金属材料显微结构与物理性能金属材料显微结构与物理性能v总学时总学时 48金属材料显微结构金属材料显微结构 32物理性能物理性能 16v考试所占比例考试所占比例金属材料显微结构金属材料显微结构 67%物理性能物理性能 33%v成绩构成成绩构成平时成绩平时成绩 30%考试成绩考试成绩 70%教材及参考资料教材及参考资料v教材教材陈騑騢，材料物理性能，机械工业出版社，陈騑騢，材料物理性能，机械工业出版社，2006v参考书参考书吴雪梅，材料物理性能与检测，科学出版社
2、，吴雪梅，材料物理性能与检测，科学出版社，2012宋学孟，金属物理性能分析，机械工业出版社，宋学孟，金属物理性能分析，机械工业出版社，1981刘强，材料物理性能，化学工业出版社，刘强，材料物理性能，化学工业出版社，2009陈登明，材料物理性能及表征，化学工业出版社，陈登明，材料物理性能及表征，化学工业出版社，2013郑冀，材料物理性能，天津大学出版社，郑冀，材料物理性能，天津大学出版社，2008材料技术材料技术信息技术信息技术能源技术能源技术生物技术生物技术先进制造技术先进制造技术航空航天技术航空航天技术环境保护技术等环境保护技术等已经成为影响人类进步的重要技术。其中已经成为影响人类进步的重要
3、技术。其中材料技术材料技术是重中之重的技术。其他任何技术的发展都离不是重中之重的技术。其他任何技术的发展都离不开材料的发展。没有高性能的材料作为基础，现开材料的发展。没有高性能的材料作为基础，现代社会的文明很难再上一层楼！代社会的文明很难再上一层楼！二十一世纪世界各二十一世纪世界各国重点和优先发展国重点和优先发展的技术是什么？的技术是什么？绪论绪论绪论绪论性能性能成分成分结构结构性质性质用途用途金属铁金属铁强度、硬度高强度、硬度高结构件结构件金属铜金属铜导电性能好导电性能好电线、电缆电线、电缆半导体半导体Si半导体特性半导体特性大规模集成电路大规模集成电路铝合金铝合金比强度高比强度高航空航天航
4、空航天AlN等无机等无机压电性压电性超声波元件，滤波器超声波元件，滤波器绪论绪论绪论绪论v材料的性能材料的性能指在给定的外界环境中，材料受到某种作用时，指在给定的外界环境中，材料受到某种作用时，其状态所发生的变化。作用于材料上的作用因素其状态所发生的变化。作用于材料上的作用因素通常可以分为应力、温度、磁场、电场、化学介通常可以分为应力、温度、磁场、电场、化学介质、辐照等。质、辐照等。v材料的物理性能材料的物理性能指材料受到外部作用时，电、磁、光、热、声学指材料受到外部作用时，电、磁、光、热、声学方面的物理状态量、以及一些特殊变化量所发生方面的物理状态量、以及一些特殊变化量所发生的变化。作用因素
5、通常也以这些相应的物理量为的变化。作用因素通常也以这些相应的物理量为主。主。材料性能的划分材料性能的划分n复杂性能复杂性能 复合性能复合性能 工艺性能工艺性能 使用性能使用性能 抗氧化性抗氧化性 耐腐蚀性耐腐蚀性 抗渗入性抗渗入性 强强 度度 延延 性性 韧韧 性性 刚刚 性性 摩擦磨损摩擦磨损 热学性能热学性能 声学性能声学性能 光学性能光学性能 电学性能电学性能 磁学性能磁学性能 辐照性能辐照性能n化学性能化学性能 n物理性能物理性能n力学性能力学性能本课程讲授内容本课程讲授内容第一章、电学性能第一章、电学性能 第二章、磁学性能第二章、磁学性能第三章、光学性能第三章、光学性能第四章、热学性
6、质第四章、热学性质 第五章、弹性与滞弹性第五章、弹性与滞弹性 第一章第一章 电学性能电学性能v主要内容主要内容材料的导电性材料的导电性 影响金属导电性的因素影响金属导电性的因素 电阻分析应用电阻分析应用 第一节第一节 材料的导电性材料的导电性一、电阻率和电导率一、电阻率和电导率欧姆定律：欧姆定律：URIR表示导体的电阻：表示导体的电阻：LRS电导率：电导率：1单位：单位：(m)(-1 m-1,S/m)一些材料室温下的电导率一些材料室温下的电导率材料材料电导率电导率(-1 m-1)材料材料电导率电导率(-1 m-1)Ag6.3 107Ge2.2Cu6.0 107SiC10Au4.3 107Si4
7、.3 10-4Al3.8 107耐火砖耐火砖10-6Zn1.69 107滑石滑石10-12Ni1.38 107云母云母10-11Fe1.02 107尼龙尼龙10-1210-10304 不锈钢不锈钢1.4 106石蜡石蜡10-1570Cu-30Zn1.6 107聚乙烯聚乙烯10-14二、金属导电理论二、金属导电理论量子自由电子理论量子自由电子理论经典自由电子理论经典自由电子理论能带理论能带理论（一）经典自由电子理论（一）经典自由电子理论v经典自由电子理论认为，在金属晶体中，经典自由电子理论认为，在金属晶体中，离子构成了晶离子构成了晶格点阵格点阵，并形成一个均匀电场，并形成一个均匀电场，价电子是完
8、全自由价电子是完全自由的，的，可以在整个金属中自由运动，就像气体分子充满整个容可以在整个金属中自由运动，就像气体分子充满整个容器一样，因此可以把价电子看成器一样，因此可以把价电子看成“电子气电子气”。Ev在自由电子做定向运动过程中，会不断与正离子在自由电子做定向运动过程中，会不断与正离子发生碰撞妨碍电子加速运动，形成电阻发生碰撞妨碍电子加速运动，形成电阻。v从这种认识出发，设电子两次碰撞之间运动的平从这种认识出发，设电子两次碰撞之间运动的平均距离（自由程）为均距离（自由程）为 l，电子平均运动的速度为，电子平均运动的速度为v，单位体积内的自由电子数为单位体积内的自由电子数为 n，则，则电导率电
9、导率为为2222ne lnetmvmvm:电子质量电子质量ve:电子电荷电子电荷v :两次碰撞之间的平均时间两次碰撞之间的平均时间tv经典自由电子理论的不足之处经典自由电子理论的不足之处不能解释二、三价金属的价电子虽然比一价不能解释二、三价金属的价电子虽然比一价金属多，但导电性比一价金属差的原因金属多，但导电性比一价金属差的原因实际测量到的电子平均自由程比经典理论估实际测量到的电子平均自由程比经典理论估计的大很多计的大很多不能解释超导现象的产生不能解释超导现象的产生2222ne lnetmvmv经典自由电子理论的问题根源经典自由电子理论的问题根源1.忽略了电子之间的排斥作用忽略了电子之间的排斥
10、作用2.忽略正离子点阵周期场的作用忽略正离子点阵周期场的作用3.立足于牛顿力学的宏观运动立足于牛顿力学的宏观运动v对于微观粒子的运动问题，需要利用量对于微观粒子的运动问题，需要利用量子力学的概念来解决。子力学的概念来解决。（二）量子自由电子理论（二）量子自由电子理论v相同点：相同点：金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子与金属中正离子形成的电场是均匀的，价电子与离子间没有相互作用，且为整个金属所共有，离子间没有相互作用，且为整个金属所共有，可以在整个金属中自由运动。可以在整个金属中自由运动。v不同点：不同点：金属中每个原子的金属中每个原子的内层电子内层电子基本保持着单个原基本保持着单个原子时的
11、能量状态，而所有子时的能量状态，而所有价电子价电子按量子化规律按量子化规律具有不同的能量状态，即具有不同的能量状态，即具有不同的能级具有不同的能级。+11+11v电子具有电子具有波粒二象性波粒二象性，运动着的电子作为物质波，运动着的电子作为物质波（德布罗意波），其波长与电子的运动速率或动（德布罗意波），其波长与电子的运动速率或动量之间的关系为量之间的关系为hhmvp22 mvhvm:电子质量电子质量vv:电子速度电子速度v :波长波长vp:电子动量电子动量vh:普朗克常量普朗克常量212Emv222222288hhEKmm常数常数228hm波数波数2K2228hEKm自由电子的自由电子的E-K
12、曲线曲线v粒子的观点粒子的观点曲线表示自由电子的能曲线表示自由电子的能量与速度（或动量）之量与速度（或动量）之间的关系间的关系v波动的观点波动的观点曲线表示电子的能量和曲线表示电子的能量和波数之间的关系。电子波数之间的关系。电子的波数越大，则能量越的波数越大，则能量越高。高。v费米能费米能EF 0K时电子所具有的最高时电子所具有的最高能态，不同金属的费米能态，不同金属的费米能不同能不同电场对电场对E-K曲线的影响曲线的影响v外加电场的作用外加电场的作用外电场使向着其正端外电场使向着其正端运动的电子能量降低，运动的电子能量降低，反向运动的电子能量反向运动的电子能量升高升高部分能量较高的电子部分能
13、量较高的电子转向电场正向运动的转向电场正向运动的能级，从而使能级，从而使正反向正反向运动的电子数不等运动的电子数不等，使金属导电使金属导电只有处于较高能态的只有处于较高能态的自由电子参与导电自由电子参与导电v电阻的形成电阻的形成电子波在传播过程中被离子点阵散射，然后电子波在传播过程中被离子点阵散射，然后相互干涉而形成电阻。相互干涉而形成电阻。v超导体超导体量子力学证明，当电子波在绝对零度下通过量子力学证明，当电子波在绝对零度下通过一个理想的晶体点阵时，它将不会受到散射一个理想的晶体点阵时，它将不会受到散射而无阻碍地传播，此时的材料是一个理想的而无阻碍地传播，此时的材料是一个理想的导体，即所谓的
14、超导体。导体，即所谓的超导体。v电阻产生的本质电阻产生的本质晶体点阵离子的热振动晶体点阵离子的热振动使电子波受到散射使电子波受到散射晶体中的晶体中的杂质原子、位错和点缺陷杂质原子、位错和点缺陷等使电子等使电子波受到散射波受到散射对电子波产生了阻碍作用，降低了导电性，对电子波产生了阻碍作用，降低了导电性，这就是材料产生电阻的本质所在。这就是材料产生电阻的本质所在。量子量子2221222effeffeffn e ln en etm vmm经典经典2222ne lnetmvmvm*:有效电子质量有效电子质量vneff:有效自由电子数有效自由电子数vv :费米面附近实际参加导费米面附近实际参加导电的电
15、子平均速度电的电子平均速度v :单位时间内散射的次数单位时间内散射的次数（散射系数）（散射系数）J一价金属的一价金属的neff 比二、三价金比二、三价金属多，因此一属多，因此一价金属的导电价金属的导电性好性好马基申定则马基申定则声子散射和电子散射声子散射和电子散射（与温度成正比与温度成正比）T电子在杂质和缺陷上的电子在杂质和缺陷上的散射（散射（与温度无关与温度无关）v马基申定则马基申定则(Matthiessen Rule)总的电阻包括金属的基本电阻（与温度有关）总的电阻包括金属的基本电阻（与温度有关）和杂质浓度引起的电阻（与温度无关）和杂质浓度引起的电阻（与温度无关）()T（三）能带理论（三）
16、能带理论v相同点：相同点：金属中的价电子是公有化的金属中的价电子是公有化的能级是量子化的能级是量子化的v不同点：不同点：金属中由离子点阵所造成的势场不均匀，而呈金属中由离子点阵所造成的势场不均匀，而呈周期变化周期变化能带理论能带理论就是研究金属中的价电子在周期就是研究金属中的价电子在周期势场作用下的能量分布问题势场作用下的能量分布问题v能带的形成能带的形成原子结构理论原子结构理论每个电子都占有一个分立的能每个电子都占有一个分立的能 级。级。泡利不相容原理泡利不相容原理每个能级只能容纳每个能级只能容纳2个电子。个电子。例如，一个原子的例如，一个原子的2s轨道只能有一个能级，可以轨道只能有一个能级
17、，可以容纳容纳2个电子。个电子。2p轨道则有轨道则有3个能级，一共可以容个能级，一共可以容纳纳6个电子。个电子。电子数量增加时能级扩展成能带电子数量增加时能级扩展成能带能带结构中的有关概念能带结构中的有关概念v允带允带电子可以具有的能级所组成的能带电子可以具有的能级所组成的能带v满带满带一个能带中的各能级都被电子填满一个能带中的各能级都被电子填满v空带空带同各个原子的激发能级相对应的能带，在未被激同各个原子的激发能级相对应的能带，在未被激发的正常情况下没有电子填入发的正常情况下没有电子填入能带结构中的有关概念能带结构中的有关概念v价带价带由价电子能级分裂而形成的能带，通常情况下，价带为由价电子
18、能级分裂而形成的能带，通常情况下，价带为能量最高的能带。价带可能被电子填满，成为满带，也能量最高的能带。价带可能被电子填满，成为满带，也可能未被电子填满，形成不满带或半满带可能未被电子填满，形成不满带或半满带v导带导带一些被充满的价带顶部的电子受到激发而进入空带，此一些被充满的价带顶部的电子受到激发而进入空带，此时，价带和空带均表现为不满带，在外加电场的作用下时，价带和空带均表现为不满带，在外加电场的作用下形成电流，对于这样的固体，能带结构中的空带又称为形成电流，对于这样的固体，能带结构中的空带又称为导带导带v禁带（带隙）禁带（带隙）价带与空带之间存在着一段能量间隔，在这个区域永远价带与空带之
19、间存在着一段能量间隔，在这个区域永远不可能有电子，这个能量区域称为禁带或带隙不可能有电子，这个能量区域称为禁带或带隙自由电子模型自由电子模型晶体中电子的晶体中电子的E-K曲线曲线近自由电子模型近自由电子模型充带充带充带充带充带充带禁带禁带禁带禁带空带空带价带价带带隙带隙v导体导体如果价带内的能级未被填满，价带与导带之间没有禁带，如果价带内的能级未被填满，价带与导带之间没有禁带，或者相互重叠，在外电场作用下电子很容易从一个能级或者相互重叠，在外电场作用下电子很容易从一个能级跃迁到另一个高能级去而产生电流跃迁到另一个高能级去而产生电流v绝缘体绝缘体价带是满带，且满带上面相邻的是一个较宽的禁带，由价
20、带是满带，且满带上面相邻的是一个较宽的禁带，由于满带中的电子没有活动的空间，即使禁带上面的能带于满带中的电子没有活动的空间，即使禁带上面的能带完全是空的，在外电场作用下电子也很难跳过禁带完全是空的，在外电场作用下电子也很难跳过禁带v半导体半导体半导体的能带结构与绝缘体类似，所不同的是它的禁带半导体的能带结构与绝缘体类似，所不同的是它的禁带宽度比较窄，电子可以相对容易跃过禁带，如果存在外宽度比较窄，电子可以相对容易跃过禁带，如果存在外界作用（如热、光辐射等），则价带中的电子获得能量界作用（如热、光辐射等），则价带中的电子获得能量就可能跃迁到导带上去，在价带中出现电子留下的空穴，就可能跃迁到导带上
21、去，在价带中出现电子留下的空穴，从而具有导电性从而具有导电性空带空带禁带禁带满带满带金属金属未填满未填满无禁带无禁带重叠重叠宽禁带宽禁带窄禁带窄禁带绝缘体绝缘体半导体半导体三种导电理论的主要特征三种导电理论的主要特征连续连续能量分布的价电子在能量分布的价电子在均匀均匀势场势场中的运动中的运动不连续不连续能量分布的价电子在能量分布的价电子在均匀均匀势势场中的运动场中的运动不连续不连续能量分布的价电子在能量分布的价电子在周期性周期性势场中的运动势场中的运动第二节第二节 影响金属导电性的因素影响金属导电性的因素 一、温度的影响一、温度的影响二、应力的影响二、应力的影响三、冷加工变形的影响三、冷加工变
22、形的影响四、合金元素及相结构的影响四、合金元素及相结构的影响一、温度的影响一、温度的影响22effn e lm v温度对有效电子数温度对有效电子数和电子平均速度和电子平均速度几乎没有影响几乎没有影响自由程减小自由程减小温度升高温度升高周期势场的涨落加大周期势场的涨落加大离子振动加剧离子振动加剧热振动振幅增大热振动振幅增大原子的无序度增加原子的无序度增加散射几率增加散射几率增加电阻率增大电阻率增大一、温度的影响一、温度的影响普通非过渡金属电阻普通非过渡金属电阻-温度曲线温度曲线23DT TDT 5T2TK2T一、温度的影响一、温度的影响v通常对金属导电性的研究均在德拜温度以上，通常对金属导电性的
23、研究均在德拜温度以上，在高于室温以上温度金属的电阻与温度的关系在高于室温以上温度金属的电阻与温度的关系为为0(1)TTT:温度温度,C 0:0 C下的电阻率下的电阻率 T:T温度下电阻率温度下电阻率:电阻温度系数电阻温度系数00TT大多数金属：大多数金属：10-3过渡金属，铁磁性金属过渡金属，铁磁性金属 10-2一、温度的影响一、温度的影响v过渡金属的电阻过渡金属的电阻过渡金属的电阻与温度的关系经常出现反常，特别过渡金属的电阻与温度的关系经常出现反常，特别是具有铁磁性的金属在发生磁性转变时，电阻率出是具有铁磁性的金属在发生磁性转变时，电阻率出现反常。现反常。研究表明，在接近居里点时，铁磁金属或
24、合金的电研究表明，在接近居里点时，铁磁金属或合金的电阻率反常降低量阻率反常降低量 与其自发磁化强度与其自发磁化强度Ms的平方成正的平方成正比，即比，即2/CTsM 温度对铁磁性金属比电阻和电阻温度系数的影响温度对铁磁性金属比电阻和电阻温度系数的影响一般情况一般情况金属镍金属镍二、应力的影响二、应力的影响v拉应力拉应力使原子间的距离使原子间的距离增大增大，点阵的畸变，点阵的畸变增大增大，导致，导致金属的电阻金属的电阻增大增大，电阻率与拉应力的关系，电阻率与拉应力的关系：0(1)0:未加载荷时的电阻率未加载荷时的电阻率 :应力系数应力系数 :拉应力拉应力二、应力的影响二、应力的影响v压应力压应力使
25、原子间的距离使原子间的距离减小减小，点阵的畸变，点阵的畸变减小减小，大多，大多数金属在三向压力数金属在三向压力(高达高达1.2GPa)的作用下，电的作用下，电阻率阻率下降下降，并有如下关系，并有如下关系：0(1)p 0:真空下的电阻率真空下的电阻率 :压力系数压力系数(为负值为负值)p:压力压力二、应力的影响二、应力的影响v压力对过渡金属的影响最显著，这些金属的特点压力对过渡金属的影响最显著，这些金属的特点是存在着具有能量差别不大的是存在着具有能量差别不大的未填满电子的壳层未填满电子的壳层，在压力作用下，有可能使外壳层电子转移到未填在压力作用下，有可能使外壳层电子转移到未填满的内壳层，导致性能
26、的变化。满的内壳层，导致性能的变化。v高的压力往往导致物质的金属化，引起导电类型高的压力往往导致物质的金属化，引起导电类型的变化，而且有助于从的变化，而且有助于从绝缘体绝缘体半导体半导体金属金属超导体超导体的某种转变。的某种转变。三、冷加工变形的影响三、冷加工变形的影响金属金属/合金合金电阻率增量电阻率增量铁、铜、银、铝等铁、铜、银、铝等2%6%钼钼15%20%钨钨30%50%单相固溶体单相固溶体10%20%有序固溶体有序固溶体100%室温下部分金属室温下部分金属/合金经相当大的冷加工变形后合金经相当大的冷加工变形后电阻率的变化电阻率的变化三、冷加工变形的影响三、冷加工变形的影响v电阻率增大的
27、原因电阻率增大的原因晶体点阵畸变增加晶体点阵畸变增加晶体缺陷增加晶体缺陷增加空位浓度增加空位浓度增加点阵电场不均匀点阵电场不均匀电子散射加剧电子散射加剧退火可以显著降低点缺陷浓度，再结晶过程可以退火可以显著降低点缺陷浓度，再结晶过程可以消除形变时造成的点阵畸变和晶体缺陷消除形变时造成的点阵畸变和晶体缺陷三、冷加工变形的影响三、冷加工变形的影响v根据马基申定则，冷加工金属的电阻率可写成根据马基申定则，冷加工金属的电阻率可写成()T(T):与温度有关的退火金属电阻率与温度有关的退火金属电阻率:冷加工变形产生的附加电阻率冷加工变形产生的附加电阻率(与温度无关与温度无关)()()空位位错(空位空位):
28、电子在空位处散射所引起的电阻率的增加值电子在空位处散射所引起的电阻率的增加值(退火温度足以使空位扩散时，退火温度足以使空位扩散时，(空位空位)消失消失)(位错位错):电子在位错处散射所引起的电阻率增加值电子在位错处散射所引起的电阻率增加值(位错位错)保持到再结晶温度保持到再结晶温度)四、合金元素及相结构的影响四、合金元素及相结构的影响（一）固溶体的电阻（一）固溶体的电阻（二）有序固溶体的电阻（二）有序固溶体的电阻（三）不均匀固溶体（三）不均匀固溶体（K状态）的电阻状态）的电阻（四）化合物、中间相、多相合金的电阻（四）化合物、中间相、多相合金的电阻四、合金元素及相结构的影响四、合金元素及相结构的
29、影响（一）固溶体的电阻（一）固溶体的电阻v一般情况下，形成固溶体时合金的电阻率会一般情况下，形成固溶体时合金的电阻率会增大，即使是在导电性差的金属溶剂中溶入增大，即使是在导电性差的金属溶剂中溶入导电性好的溶质金属时，也是如此导电性好的溶质金属时，也是如此v原因原因（1）溶质原子的溶入引起溶剂）溶质原子的溶入引起溶剂点阵的畸变点阵的畸变，破坏了，破坏了晶格势场的周期性，晶格势场的周期性，电子散射增加电子散射增加（2）固溶体组元间化学相互作用的加强使）固溶体组元间化学相互作用的加强使有效电子有效电子数减小数减小（一）固溶体的电阻（一）固溶体的电阻v在连续固溶体中合金成分距组元越远，电阻在连续固溶体
30、中合金成分距组元越远，电阻率超高，在二元合金中最大电阻率常在率超高，在二元合金中最大电阻率常在50%原子分数处原子分数处v铁磁性及强顺磁性金属组成的固溶体情况有铁磁性及强顺磁性金属组成的固溶体情况有异常，最大电阻率一般不在异常，最大电阻率一般不在50%原子分数处原子分数处Au-Ag合金电阻率与成分合金电阻率与成分关系关系Cu-Pd、Ag-Pd、Au-Pd合合金电阻率与成分关系金电阻率与成分关系（一）固溶体的电阻（一）固溶体的电阻v根据马基申定则，低浓度固溶体电阻率表达式为根据马基申定则，低浓度固溶体电阻率表达式为0 :偏离马基申定则的值，与温度和溶质浓度有关偏离马基申定则的值，与温度和溶质浓度
31、有关C 0:固溶体溶剂组元的电阻率固溶体溶剂组元的电阻率 :残余电阻率残余电阻率 C:溶质原子含量溶质原子含量:1%溶质原子引起的附加电阻率溶质原子引起的附加电阻率v偏离马基申定则：偏离马基申定则：0（一）固溶体的电阻（一）固溶体的电阻v诺伯里诺伯里-林德林德(Norbury-Lide)法则法则除过渡金属外，在同一溶剂中溶入除过渡金属外，在同一溶剂中溶入1%(摩尔分摩尔分数数)原子溶质金属所引起的电阻率增加幅度，由原子溶质金属所引起的电阻率增加幅度，由溶剂和溶质金属的价数而定溶剂和溶质金属的价数而定2()abZa,b:常数常数 Z:低浓度合金溶剂和溶质间的价数差低浓度合金溶剂和溶质间的价数差（
32、二）有序固溶体的电阻（二）有序固溶体的电阻v电阻增加电阻增加合金组元化学作用加强，电子结合比无序固溶合金组元化学作用加强，电子结合比无序固溶体增强，导致体增强，导致导电电子数减少导电电子数减少v电阻降低电阻降低晶体的离子电场在有序化后更对称，从而晶体的离子电场在有序化后更对称，从而减少减少电子的散射电子的散射通常情况下，第二个因素占优势，因此有通常情况下，第二个因素占优势，因此有序化后，合金的电阻总体上是降低的序化后，合金的电阻总体上是降低的Cu3Au合金有序化对合金有序化对电阻率的影响电阻率的影响Cu-Au合金电阻合金电阻率曲线率曲线（三）不均匀固溶体（三）不均匀固溶体（K状态）的电阻状态）
33、的电阻v冷加工变形对固溶体电阻的影响如同纯金属一冷加工变形对固溶体电阻的影响如同纯金属一样，使样，使电阻增大电阻增大v不同的是，形变对固溶体合金电阻的影响比纯不同的是，形变对固溶体合金电阻的影响比纯金属大得多金属大得多v含有过渡金属元素的合金进行冷加工变形后，含有过渡金属元素的合金进行冷加工变形后，电阻却降低电阻却降低镍镍-铬铬镍镍-铜铜-锌锌铁铁-铬铬-铝铝铁铁-镍镍-钼钼银银-锰等锰等（三）不均匀固溶体（三）不均匀固溶体（K状态）的电阻状态）的电阻vK状态状态不均匀固溶体，固溶体中有特殊的相变及特殊不均匀固溶体，固溶体中有特殊的相变及特殊的结构存在的结构存在这些不均匀组织是这些不均匀组织是
34、“相内分解相内分解”的结果，即这的结果，即这种分解不析出任何具有自己固有点阵的晶体种分解不析出任何具有自己固有点阵的晶体v对电阻率的影响对电阻率的影响当形成不均匀固溶体时，在固溶体点阵中只形当形成不均匀固溶体时，在固溶体点阵中只形成成原子的偏聚原子的偏聚，其成分与固溶体的平均成分不，其成分与固溶体的平均成分不同同偏聚区的大小与偏聚区的大小与电子自由程为同一数量级电子自由程为同一数量级，能，能明显明显增加电子散射几率增加电子散射几率（四）化合物、中间相、多相合金的电阻（四）化合物、中间相、多相合金的电阻（1）化合物和中间相的电阻）化合物和中间相的电阻v电阻率变化电阻率变化当两种金属原子形成化合物
35、时，其电阻率要比纯当两种金属原子形成化合物时，其电阻率要比纯组元的组元的电阻率高很多电阻率高很多v原因原因组成化合物后原子间的组成化合物后原子间的金属键部分地转化为共价金属键部分地转化为共价键或离子键键或离子键，使，使导电电子数减少导电电子数减少v在一些情况下，金属化合物是半导体在一些情况下，金属化合物是半导体v一般地，中间相的导电性介于固溶体与化合物之间一般地，中间相的导电性介于固溶体与化合物之间（四）化合物、中间相、多相合金的电阻（四）化合物、中间相、多相合金的电阻（2）多相合金的电阻）多相合金的电阻v多相合金的导电性不仅与组成相的导电性及相对多相合金的导电性不仅与组成相的导电性及相对量有
36、关，还与合金的组织形态有关量有关，还与合金的组织形态有关(如晶粒度大小如晶粒度大小)v当合金是等轴晶粒组成的两相机械混合物，并且当合金是等轴晶粒组成的两相机械混合物，并且两相的导电率相近两相的导电率相近(比值为比值为0.75 0.95)时，时，电导率电导率与两相的体积分数呈线性关系与两相的体积分数呈线性关系：1122 1、2、:分别为各相和多相合金的电导率分别为各相和多相合金的电导率 1、2:各相的体积分数，且各相的体积分数，且 1+2=1合金电阻率与状态图关系的示意图合金电阻率与状态图关系的示意图连续固溶体连续固溶体多相合金多相合金化合物化合物间隙相间隙相第三节第三节 电阻分析应用电阻分析应
37、用 一、测定固溶体的溶解度曲线一、测定固溶体的溶解度曲线二、研究合金的时效二、研究合金的时效三、材料疲劳过程的研究三、材料疲劳过程的研究四、研究碳钢的回火四、研究碳钢的回火五、研究五、研究Cu3Au合金的有序合金的有序-无序转变无序转变六、马氏体相变的研究六、马氏体相变的研究一、测定固溶体的溶解度曲线一、测定固溶体的溶解度曲线v建立合金状态图时，常建立合金状态图时，常要确定固溶体溶解度曲要确定固溶体溶解度曲线，采用电阻分析测定线，采用电阻分析测定固溶体溶解度是一种很固溶体溶解度是一种很有效的方法有效的方法v例如固态的二元合金，例如固态的二元合金，B在在A中只能有限固溶中只能有限固溶且溶解度随温
38、度的升高且溶解度随温度的升高而增加而增加v如右图中曲线如右图中曲线ab即为要即为要测定的溶解度曲线测定的溶解度曲线不同温度下电阻率随合金成分变不同温度下电阻率随合金成分变化及与状态图的对应关系化及与状态图的对应关系二、研究合金的时效二、研究合金的时效v合金的时效往往伴随着脱溶分解过程，从合金的时效往往伴随着脱溶分解过程，从而使电阻率发生显著的变化，所以电阻分而使电阻率发生显著的变化，所以电阻分析是研究合金时效最有效的方法之一。析是研究合金时效最有效的方法之一。（一）研究（一）研究Fe-Ni-C合金马氏体的时效合金马氏体的时效（二）研究（二）研究Al-Si-Cu-Mg铸造合金的时效铸造合金的时效
39、v所用所用Fe-Ni-C合金合金wNi=18%、21%、24%wC=0.03%0.62%v试样处理试样处理1200 C，24h均匀化处理后，从均匀化处理后，从850 C淬火至液淬火至液氮得到马氏体氮得到马氏体v时效和回火时效和回火将试样从液氮贮存槽移至规定温度温度的浴槽将试样从液氮贮存槽移至规定温度温度的浴槽中，从中，从15s开始按照等比级数增加停留的时间间开始按照等比级数增加停留的时间间隔，将不同时间间隔停留后的试样及时返回到隔，将不同时间间隔停留后的试样及时返回到液氮槽中，测量其电阻液氮槽中，测量其电阻（一）研究（一）研究Fe-Ni-C合金马氏体的时效合金马氏体的时效电阻率电阻率(-196
40、 C)与时效时间的关系与时效时间的关系Fe-Ni18%-C0.11%板条状马氏体板条状马氏体Fe-Ni21%-C0.4%片状马氏体片状马氏体马氏体时效和回马氏体时效和回火各区电阻率火各区电阻率变化曲线变化曲线 区：区：初始下降初始下降区：区：先减后增，出现峰值先减后增，出现峰值区：区：缓慢下降缓慢下降v时效过程与碳的扩散和时效过程与碳的扩散和马氏体中碳量减少有关马氏体中碳量减少有关v时效过程的实质是时效过程的实质是原子原子的集团化的集团化（二）研究（二）研究Al-Si-Cu-Mg铸造合金的时效铸造合金的时效v试样试样490 C/8h+520 C/8h水淬水淬的的Al-Si-Cu-Mg铸造合金铸
41、造合金v电阻变化电阻变化时效初期，固溶体中形时效初期，固溶体中形成成G-P区，使导电电子区，使导电电子发生散射，电阻增大发生散射，电阻增大当合金开始脱溶析出当合金开始脱溶析出CuAl2和和MgSi时，电阻时，电阻开始下降开始下降v最佳时效温度最佳时效温度160170 C，合金内形，合金内形成大量的成大量的G-P区导致合区导致合金强化金强化三、材料疲劳过程的研究三、材料疲劳过程的研究v原理原理材料的应力疲劳是内部位错的增殖、裂纹的材料的应力疲劳是内部位错的增殖、裂纹的扩展等一系列微观缺陷而导致的宏观缺陷发展扩展等一系列微观缺陷而导致的宏观缺陷发展过程，将引起电阻的变化过程，将引起电阻的变化v方法
42、方法将试样开好缺口，装在试验机上，对试样施将试样开好缺口，装在试验机上，对试样施加周期载荷并通恒定直流电流，在试样缺口两加周期载荷并通恒定直流电流，在试样缺口两端测定电位差端测定电位差 1、2阶段：电阻变化不大阶段：电阻变化不大 3阶段：电阻缓慢增加，阶段：电阻缓慢增加，内部缺陷密度不断增高内部缺陷密度不断增高 4阶段：电阻迅速增加，阶段：电阻迅速增加，内部裂纹已发展到表面出现微裂纹内部裂纹已发展到表面出现微裂纹镍在低周期应力疲劳时的电镍在低周期应力疲劳时的电阻变化阻变化试样示意图试样示意图v例子：基于电位法原理的金属结构裂纹监测传感例子：基于电位法原理的金属结构裂纹监测传感器研究器研究杜金强
43、等，基于电位法原理的金属结构裂纹监测传感器研究，南京航空航天大杜金强等，基于电位法原理的金属结构裂纹监测传感器研究，南京航空航天大学学报，学学报，(2010)Vol.42 No.3 387-391传感器示意图传感器示意图不同裂纹长度时不同裂纹长度时AC之间之间的电位差的电位差四、研究碳钢的回火四、研究碳钢的回火v原理原理通常钢的淬火组织是马氏体与残余奥氏体，通常钢的淬火组织是马氏体与残余奥氏体，碳含量越高，残余奥氏体越多碳含量越高，残余奥氏体越多淬火钢回火要发生马氏体的分解和残余奥氏淬火钢回火要发生马氏体的分解和残余奥氏体的转变体的转变由于固溶体的电阻比较高，所以分解过程伴由于固溶体的电阻比较
44、高，所以分解过程伴随着电阻不断地下降随着电阻不断地下降v特点特点v110 C以下曲线没有明显变以下曲线没有明显变化，说明没有产生组织转化，说明没有产生组织转变变v110 C时出现拐折，说明马时出现拐折，说明马氏体开始发生分解析出氏体开始发生分解析出 相相v230 C时又出现拐折，表明时又出现拐折，表明发生了残余奥氏体转变发生了残余奥氏体转变v300 C之后变化不明显，说之后变化不明显，说明转变已结束明转变已结束v碳含量越高，淬火温度越碳含量越高，淬火温度越高，电阻率变化越大，说高，电阻率变化越大，说明淬火马氏体和残余奥氏明淬火马氏体和残余奥氏体中固溶的碳越多体中固溶的碳越多五、研究五、研究Cu
45、3Au合金的有序合金的有序-无序转变无序转变Cu3Au合金的电阻与加热温度合金的电阻与加热温度的关系的关系v曲线曲线1室温下无序，室温下无序，300 C出现拐折，表明原子开始出现拐折，表明原子开始向有序排列，之后由于加向有序排列，之后由于加热温度较高，只能获得部热温度较高，只能获得部分有序状态，随后转变为分有序状态，随后转变为无序结构无序结构v曲线曲线2室温下有序，从高温室温下有序，从高温无序状态缓慢冷却，转变无序状态缓慢冷却，转变为有序状态为有序状态v曲线曲线3室温下部分有序，将室温下部分有序，将高温无序状态合金冷却至高温无序状态合金冷却至某一有序化温度，使有序某一有序化温度，使有序化在冷却过程中来不及进化在冷却过程中来不及进行，再缓慢冷却，获得部行，再缓慢冷却，获得部分有序状化态分有序状化态六、马氏体相变的研究六、马氏体相变的研究马氏体相变和逆相变时的电阻马氏体相变和逆相变时的电阻-温度曲线示意图温度曲线示意图v金属与合金在常温以上，电阻与温度的关系符合线性规金属与合金在常温以上，电阻与温度的关系符合线性规律，若发生相变则可能偏离线性规律，故可采用电阻分律，若发生相变则可能偏离线性规律，故可采用电阻分析来研究马氏体相变。析来研究马氏体相变。开始发生马氏体相变开始发生马氏体相变相变完成相变完成逆相变完成逆相变完成逆相变开始逆相变开始
